Thạc Sĩ Thiết kế và mô phỏng anten vi dải ở tần số 900, 1800 mhz

MỞ ĐẦU

Ngày nay, trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo thì công việc thiết kế và mô phỏng đóng vai trò rất quan trọng. Trước khi chế tạo thử nghiệm một sản phẩm nào đó thì thông thường người ta sẽ thiết kế sản phẩm đó trước rồi mới tiến hành mô phỏng. Sau khi mô phỏng đạt kết quả tốt người ta mới tiến hành sản xuất thử nghiệm. Có như vậy mới có thể tiết kiệm được thời gian và chi phí sản xuất thử nghiệm. Hơn nữa, trong một số lĩnh vực việc tiến hành thử nghiệm trong thực tế gặp rất nhiều khó khăn và không an toàn thì giải pháp dùng máy tính để thiết kế và mô phỏng trước là một giải pháp vừa an toàn, vừa hiệu quả.
Phương pháp thiết kế và mô phỏng phải được tiến hành và giải quyết theo từng yêu cầu cụ thể, thậm chí với cùng một yêu cầu có thể có nhiều phương pháp thiết kế và mô phỏng khác nhau, mỗi phương pháp có những ưu điểm và khuyết điểm riêng. Việc chọn lựa phương pháp thiết kế và mô phỏng tuỳ thuộc vào mục đích và khả năng của người thực hiện.
Hiện nay, anten được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: trong hàng không vũ trụ, thông tin vệ tinh, các thiết bị thông tin và truyền thông, trong các hệ thống mimo. Tuy nhiên, trước khi chế tạo thử nghiệm một mẫu anten thông thường người ta phải qua quá trình thiết kế và mô phỏng. Các mô hình tương đương dùng trong phân tích và mô phỏng anten nhằm mục đích giảm bớt các chu trình thử nghiệm, đánh giá chính xác các ưu và khuyết điểm của anten, cung cấp các nguyên lý hoạt động của anten. Các mô hình này có khả năng dự đoán trước các đặc tính bức xạ của anten như: mẫu bức xạ, độ lợi, phân cực, tổng trở ngõ vào, băng thông, mạch tương hỗ và hiệu xuất của anten
Đối với anten vi dải (microstrip antenna) để đánh giá hoạt động của nó người ta thường dùng hai mô hình phổ biến sau: mô hình đường truyền sóng (transmission line model), mô hình hốc cộng hưởng (cavity model). Ngoài ra còn có mô hình toàn sóng (full wave model) dùng trong phân tích anten vi dải và mô hình này được chia thành các phương pháp như sau: phương pháp moment (MoM), phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD) Trong các kỹ thuật phân tích anten vi dải trên, mô hình đường truyền sóng là đơn giản nhất nhưng độ chính xác không cao. Mô hình hốc cộng hưởng chính xác hơn nhưng cũng khó áp dụng cho các anten có hiệu ứng ghép cặp. Mô hình toàn sóng là chính xác nhất, có khả năng phân tích nhiều dạng anten vi dải khác nhau nhưng rất phức tạp. Nó đòi hỏi thời gian tính toán lâu do đó mô hình này thường được áp dụng trong các phần mềm thương mại. Tuy nhiên, mô hình toàn sóng lại cho ít hiểu biết về vật lý hơn mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng. Mặc dù hai mô hình này cho kết quả kém chính xác hơn.
Hiện nay, đã có nhiều đề tài nghiên cứu về anten vi dải như: mô phỏng truyền sóng điện từ bằng phương pháp FDTD – Áp dụng khảo sát anten vi dải và mạch lọc ở siêu tần của Phạm Ngọc Sơn (Trường ĐH KHTN TP HCM), phân tích anten vi dải của Hà Huy Hùng (Trường ĐH BK TPHCM), sử dụng phương pháp FDTD khảo sát anten vi dải của Nguyễn Chương Đỉnh (Trường ĐH BK TPHCM), thiết kế thử nghiệm anten vi dải của Vũ Đình Thành, Nguyễn Thanh Tâm, Trần Minh Tú (Trường ĐH BK TPHCM) .Tuy nhiên, các đề tài này chủ yếu áp dụng phương pháp FDTD trong mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật. Nhược điểm của phương pháp này là phải biết trước kích thước vật lý của anten. Do đó, đề tài của tác giả sẽ tập trung nghiên cứu mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng để áp dụng trong thiết kế và mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật. Hai mô hình này tương đối đơn giản nhưng có khả năng tính toán được các thông số cơ bản của anten vi dải hình chữ nhật.
Nhiệm vụ của đề tài là phải tính toán thiết kế và mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật dựa vào hai mô hình này. Tuy nhiên, để kiểm chứng kết quả mô phỏng được đề tài sẽ sử dụng thêm một phần mềm thương mại IE3D. Phần mềm này ứng dụng phương pháp momment trong mô hình toàn sóng để tính trường bức xạ của anten vi dải.
Đề tài được thực hiện dựa trên sự trợ giúp của phần mềm Matlab, phiên bản 7.0. Nội dung lý thuyết của đề tài được trích dẫn dựa trên nhiều nguồn tài liệu sách báo khác nhau, các phần trích dẫn quan trọng sẽ có chú thích rõ ràng. Các nguồn tài liệu được tác giả sưu tầm trên mạng và qua sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô, bạn bè, đặc biệt là của thầy hướng dẫn đề tài.
Nội dung của đề tài gồm:
ã Tìm hiểu về anten vi dải và các phương pháp phân tích hoạt động của anten vi dải.
ã Khảo sát mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng.
ã Áp dụng các kết quả thu được để tính toán thiết kế và mô phỏng một anten vi dải hình chữ nhật
ã Mô phỏng anten vi dải đã thiết kế ở trên bằng phần mềm IE3D để kiểm chứng kết quả
Đề tài được chia làm bốn chương. Quan trọng nhất là chương hai, chương này trình bày mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng áp dụng vào cho anten vi dải hình chữ nhật.
ã Chương 1: Giới thiệu tổng quan về anten vi dải.
ã Chương 2: Trình bày mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng áp dụng cho anten vi dải hình chữ nhật để tính toán các thông số đặc trưng của anten.
ã Chương 3: Áp dụng các kết quả thu được để thiết kế chương trình tính toán và mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật
ã Chương 4: Ứng dụng chương trình IE3D để mô phỏng anten vi dải đã thiết kế và kiểm chứng kết quả mô phỏng ở chương 3.

MỤC LỤC
MỤC LỤC .i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ v
DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU viii
MỞ ĐẦU .ix
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI .1
1.2 ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN VI DẢI 1
1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP NGUỒN CHO ANTEN VI DẢI 3
1.3.1 CẤP NGUỒN BẰNG PROBE ĐỒNG TRỤC 3
1.3.2 CẤP NGUỒN BẰNG ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI 4
1.3.3 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP KHE 6
1.3.4 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP GẦN 7
1.4 HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI 7
1.5 CÁC MODE HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI VÀ TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG .9
CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ANTEN VI DẢI 11
2.1 MÔ HÌNH ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG .11
2.1.1 HIỆU ỨNG ĐƯỜNG BIÊN VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI HIỆU DỤNG .12
2.1.2 ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI 15
2.1.3 KÍCH THƯỚC CỦA ANTEN VI DẢI HÌNH CHỮ NHẬT .20
2.1.4. TỔNG TRỞ NGÕ VÀO CỦA ANTEN VI DẢI 22
2.2 MÔ HÌNH HỐC CỘNG HƯỞNG 27
2.2.1 ĐẶC TÍNH TRƯỜNG VÀ MẬT ĐỘ DÒNG TƯƠNG ĐƯƠNG 27
2.2.2 TRƯỜNG BỨC XẠ CỦA ANTEN VI DẢI .33
2.3 CÁC THÔNG SỐ KHÁC CỦA ANTEN VI DẢI 37
2.3.1 ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG 37
ii
2.3.2 ĐỘ RỘNG CỦA BÚP SÓNG 39
2.3.3 SUY HAO VÀ HỆ SỐ PHẨM CHẤT Q .40
2.3.4 HIỆU SUẤT BỨC XẠ .42
2.3.5 BĂNG THÔNG VÀ ĐỘ LỢI .42
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ V À M Ô PH ỎNG 44
3.1. GIỚI THIỆU 44
3.2. LỰA CHỌN LỚP ĐIỆN MÔI .47
3.3. LỰA CHỌN TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG (TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG) .51
3.4. TÍNH CHIỀU RỘNG CỦA ANTEN VI DẢI HÌNH CHỮ NHẬT 51
3.5. TÍNH HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI HIỆU DỤNG .52
3.6. TÍNH CHIỀU DÀI HIỆU DỤNG CỦA ANTEN VI DẢI 52
3.7. TÍNH CHIỀU DÀI PHẦN MỞ RỘNG CỦA ANTEN VI DẢI 53
3.8. TÍNH CHIỀU DÀI THỰC TẾ CỦA ANTEN VI DẢI .54
3.9. TÍNH KÍCH THƯỚC CỦA MẶT PHẲNG ĐẤT .55
3.10. PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG CHO ANTEN VI DẢI .55
3.10.1. PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BẰNG ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI DÀI 4/λ 56
3.10.3. PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BẰNG ĐẶT LỆCH ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI .57
3.10.4. PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BẰNG INSET-FEED 59
3.11. CÁC THÔNG SỐ KHÁC 60
3.11.1 ĐỒ THỊ BỨC XẠ 60
3.11.2. HIỆU XUẤT BỨC XẠ, ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG VÀ ĐỘ LỢI .62
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI BẰNG PHẦN MỀM IE3D .64
4.1. PHƯƠNG PHÁP MOMENT .64
4.2 MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI CÓ TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG 900 MHz .67
4.2.1 SUY HAO PHẢN XẠ VÀ BĂNG THÔNG CỦA ANTEN .68
4.2.2 TRỞ KHÁNG NGÕ VÀO .69
4.2.3 ĐỒ THỊ BỨC XẠ 69
iii
4.2.4 ĐỒ THỊ ĐỘ LỢI CỦA ANTEN THEO TẦN SỐ 71
4.2.5 ĐỒ THỊ TỶ SỐ SÓNG ĐỨNG ĐIỆN ÁP 72
4.2.6 HƯỚNG TÍNH CỦA ANTEN 73
4.2.7 MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHÁC 74
4.2.8 SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 76
4.3 MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI CÓ TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG 1800 MHz .78
4.3.1 SUY HAO PHẢN XẠ VÀ BĂNG THÔNG CỦA ANTEN .79
4.3.2 TRỞ KHÁNG NGÕ VÀO .80
4.3.3 ĐỒ THỊ BỨC XẠ 80
4.3.4 ĐỒ THỊ ĐỘ LỢI CỦA ANTEN THEO TẦN SỐ .82
4.3.5 ĐỒ THỊ TỶ SỐ SÓNG ĐỨNG ĐIỆN ÁP 83
4.3.6 HƯỚNG TÍNH CỦA ANTEN 84
4.3.7 MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHÁC 85
4.3.8 SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 87
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .90
KẾT LUẬN .90
HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 91